Общая классификация заземлений в электрических установках

В настоящее время различают заземление грозозащиты, рабочее заземление и защитное заземление. В некоторых случаях один и тот же заземлитель выполняет несколько назначений одновременно.

Заземление молниеотводов, опор ВЛ, разрядников является необходимым условием эффективной грозозащиты электрических сетей. К рабочему заземлению относятся заземление нейтралей силовых трансформаторов, дугогасящих аппаратов, генераторов, заземление фазы при использовании земли в качестве рабочего провода и др. Защитное заземление служит для обеспечения безопасности людей, обслуживающих электрическую установку, путем заземления металлических частей установки, например, генераторов, которые нормально имеют нулевой потенциал, но могут оказаться под напряжением при перекрытии или пробое изоляции.

Заземлитель характеризуется сопротивлением, которое окружающий грунт оказывает стекающему с него току. При стекании с заземлителя относительно небольшого и медленно меняющегося со временем тока промышленной частоты заземлитель называют стационарным (RЮ).

Сопротивление заземлителя при протекании импульсного тока связано с RЮ?? соотношением.

R u=ЬR.

где Ь?- коэффициент импульса заземлителя.

Особенностями тока молнии являются его большая амплитуда и кратковременность, что сказывается на величине коэффициента импульса. При стекании с заземлителя тока плотностью д? в грунте возникает электрическое поле (Eu=дсu) в грунте с удельным сопротивлением растеканию импульсного тока сu. Установлено, что с ростом напряженности поля сu грунтов плавно уменьшается, что связано, по-видимому, с явлением нелинейной проводимости, свойственной всем полупроводникам, в том числе и грунтам. При дальнейшем возрастании д? напряженность электрического поля вблизи заземлителя достигает пробивной напряженности грунта (Епр=10…12кВ/см). Искрообразование приводит к резкому снижению падения напряжения в искровом разряде (рисунок 6.1), который, в свою очередь переходит в дуговую стадию. Так как градиенты в грунте по мере удаления от заземляющей стержня возрастают, то падение импульсного удельного сопротивления, вследствие искрообразования в грунте, эквивалентно увеличению геометрических размеров заземлителя. Импульсное искрообразование в грунте происходит с большим запозданием. Обычно коэффициенты импульса определяются для времен 3…6 мкс, когда искровые процессы уже успевают полностью установиться. При малых временах (1…2 мкс) Ь…>1.

Импульсный характер воздействия напряжения приводит к необходимости подразделять заземлители на сосредоточенные и протяженные. Заземлитель, имеющий относительно небольшую длину, у которой собственная индуктивность практически играет малую роль, называется сосредоточенным и его импульсный коэффициент всегда меньше единицы. В случае заметного проявления влияния индуктивности имеет место протяженный заземлитель, импульсный коэффициент которого может быть как меньше, так и больше единицы. Это зависит от преобладающего влияния индуктивности или искровых процессов.

Стационарное сопротивление заземлителя в однородном грунте может быть определено аналитически. Предполагая, что наиболее простой полушаровой заземлитель r0 в грунте с удельным сопротивлением с присоединен к баку трансформатора для защиты в случае перекрытия или пробоя изоляции (рисунок 6.2), имеем.

и потенциал электрического поля заземлителя равен.

где I — ток, стекающий с заземлителя.

Рисунок 6.2 — К определению сопротивления заземлителя, напряжения прикосновения и шага Человек, касающийся бака во время протекания тока, оказывается под разностью потенциалов бака и земли в месте расположения ног человека, под так называемым напряжением прикосновения — un. Человек, идущий к трансформатору, оказывается под шаговым напряжением uш. Таким образом, для обеспечения безопасности обслуживающего персонала заземляющее устройство следует проектировать таким образом, чтобы напряжение на теле человека от напряжения прикосновения и шага в любых условиях не превосходили безопасных для человека величин. Достигнуть этого можно уменьшением сопротивления заземлителя, выравниванием распределения потенциала заземлителя по поверхности земли вблизи заземленных объектов, а также увеличением сопротивления растеканию тока со ступеней человека в землю путем подсыпки гравия или использованием изолирующих бот и др.

Для заземлителей используются горизонтальные и вертикальные электроды, углубленные на 0,5…1,0 м от поверхности земли. Для горизонтальных заземлителей применяется полосовая сталь шириной 2…4 см и толщиной не менее 0,4 см и круглая сталь не менее 0,6 см. в качестве вертикальных заземлителей применяются стальные трубы, угловая сталь и металлические стержни. На тех участках, где сопротивление верхних слоев почвы велико (сухой песок) и большое влияние сезонных изменений удельного сопротивления грунта, целесообразно применение глубинных вертикальных заземлителей. Длинные вертикальные электроды обеспечивают более пологую кривую распределения потенциала по поверхности земли, но относятся к группе протяженных заземлителей.

Защитное заземление на станциях и подстанциях необходимо выполнять во всех случаях для всех установок переменного и постоянного тока напряжением 500 В и выше. Для рабочих и защитных заземлений установок используется общий заземлитель.

Исследования показывают, что в ряде случаев безопасные напряжения на теле человека могут быть достигнуты при меньшем чем 0,5 Ом значении сопротивления заземления и при меньшем расходе металла. Поэтому в последнее время появились предложения производить расчёт защитного заземления станций и подстанций в сетях с заземленной нейтралью по условию ограничения напряжения на теле человека до допустимой величины при потенциале на заземлителе не выше 10 кВ. Заземления на подстанциях выполняются в виде контура из горизонтальных полос, проложенных на глубине до 0,8 м вокруг территории подстанции, с рядом вертикальных труб или стержней длиной й= 2,5???3 м и на расстоянии а? ?(2…3)й ?по периметру контура. Внутри контура в ячейках прокладываются параллельные полосы, к которым присоединяются заземляющие провода от корпусов аппаратов, разрядников, нейтралей трансформаторов, грозозащитных тросов отходящих линий, оболочек кабелей, железнодорожных рельсов, арматура железобетонных фундаментов. Кроме того, на подстанциях с большим током замыкания на землю для уменьшения напряжений шага и прикосновения на повышенной глубине прокладывают дополнительные полосы (козырьки) в местах выхода из подстанции частого нахождения обслуживающего персонала.

Заземление молниеотводов ОРУ в большинстве случаев выполняется путем присоединения их к заземлтмтелю подстанции. Существенного снижения потенциала на корпусах оборудования достигают путем удаления места присоединения к заземлителю корпусов оборудования от места присоединения к нему молниеотвода, например, путем использования для их присоединения разных магистралей. По данным исследований наибольшее снижение потенциала приходится на первые 15…20 м от места ввода тока и тем более значительно, чем больше размер заземлителя и меньше удельное сопротивление грунта. Согласно Правилам устройства электроустановок опор ВЛ определяются требования грозозащиты линий. Сопротивление заземлителя опор, измеренное при частоте 50 Гц и отсоединенном тросе, в течение грозового сезона не должно превышать значений, приведенных в таблице 6.1.

Таблица 6.1 — Сопротивление заземлителя опор

Для линий с металлическими и железобетонными опорами (сгрунта??3000 Ом) допустимые сопротивления заземлителя могут быть обеспечены использованием железобетонных подножников опор, которые являются естественными заземлителями. В противном случае необходимо дополнительное устройство искусственного заземлителя в первую очередь на дне котлована. Для ВЛ на деревянных опорах с тросами или защитными разрядниками нормированная величина сопротивления заземления опор должна обеспечиваться искусственным заземлением. При очень высоких удельных сопротивлениях грунта целесообразно прокладывать от опор к опоре одного или двух непрерывных горизонтальных заземлителей, называемых противовесами.